Теплопроводность

Устойчивая работа электронных устройств в большой степени зависит от температуры. Постоянно идёт поиск материалов, способных рассеивать тепло, выделяющееся при работе приборов и устройств. При измерении теплопроводности подвешенного графена величина теплопроводности при комнатной температуре составила 5000 Вт/м·K (получено на основании измерения Раман-спектров), т.е. в 2,5 раза больше, чем у алмаза, теплопроводность которого считалась наибольшей из известных на сегодня материалов. Такая величина могла бы решить проблему отвода тепла в наноэлектронике [130] (рис. 27).

Рис. 27. Схема установки для определения теплопроводности однослойного графена [130].

Считается, что высокая теплопроводность графенов обусловлена структурным совершенством тех небольших образцов, на которых она была измерена. К сожалению эта величина уменьшается при увеличении их размеров; так, коэффициент теплопроводности графенов длиной от 1 до 5 мкм снижается в диапазоне от 5000 до 3000 Вт/м·К; такую зависимость обычно связывают с фононным механизмом теплопроводности. Однако в других экспериментах однослойный графен обычно фиксируют на подложках, как правило – диэлектрических, что приводит к рассеянию фононами подложки и примесями. Так, слой графена на поверхности SiO₂ имел теплопроводность всего 600 Вт/м·K [131], что, однако всё же больше, чем у меди; ее теплопроводность равна 400 Вт/м·К при комнатной температуре, но реально используются очень тонкие пленки, теплопроводность которых ниже (меньше 250 Вт/м·К). О теплопроводности в направлении, перпендикулярном плоскости графена см. в [132].

Таблица №4. Сравнительные значения теплопроводности графена, углеродных нанотрубок и кремния.

Материал	Теплопроводность, Вт/м·K
Кремний	145
Углеродные нанотрубки	3000-3500
Графен	5300

Механическая прочность

Кроме необычных электрофизических свойств, графен имеет высокую механическую прочность; она соответствует так называемой «теоретической прочности бездефектного твёрдого тела» и в настоящее время является рекордной [133] (рис.28).

Рис. 28. Механические характеристики «подвешенного графена» [133].

Однослойная чешуйка ГрО имеет существенно меньший модуль Юнга – 207,6 ГПа [133].

Графен на подложках

Физические свойства графена очень сильно зависят от взаимодействия с субстратом, на котором находится графеновый лист [135]. Имеется значительное число работ, где измерялась подвижность зарядов в графене, находящемся на подложках различного типа. Эти величины могут очень существенно отличаться как от значений для подвешенного однослойного графена, так и между собой. Так, полученный по методу Новосёлова однослойнй графен на стандартной окисленной кремниевой пластине имеет при комнатной температуре подвижность зарядов на уровне 15 000 см²/В·сек, тогда как выращенный методом CVD на меди – 4050 см²/В·сек. В то же время подвешенный однослойный графен обладает подвижностью заряда на уровне 200 000 см²/В·сек [136]. Так называемый восстановленный из ГрО графен обладает проводимостью на уровне 4 - 12 см²/В·сек [137].

Как меняются свойства однослойного графена с увеличением числа слоев?

Вопрос о том, в какой мере у двух-, трех- и более «слойных» графенов сохраняются уникальные свойства однослойного графена остается открытым.

Прежде всего, встаёт вопрос о том, как соотносятся, упакованые слои друг относительно друга (как они повернуты) в двух- и трех слойных графенах. Бислойный графен также является 2 D системой, которая отличается зонной структурой и электронными свойствами от однослойного графена. Авторы работы [138] считают, что мультислойный эпитаксиальный графен, выращенный на SiC (0001) – поверхности является формой углерода, состоящей из однослойных чешуек графена. Многослойная пленка графена, выращенная на C грани SiC обладает всеми транспортными свойствами подвешенного однослойного Г. Вывод этой работы: для того, чтобы была графеновая электроника необязательно получать идеальный однослойный графен, поскольку многослойная пленка обладает требуемыми электронными свойствами [138]. С другой стороны, в работе [139] наблюдали экспоненциальное снижение проводимости с ростом числа слоёв в мультислойном графене; считается, что это происходит в связи с ростом числа дефектов. В дополнение к этому в работе [140] показано, что электрофизические свойства одно- и бислойного графена резко различаются. Показано, что подвижность носителей в трехслойном графене, оказавшимся полуметаллом, составляет μ ≈ 10³ см²/(В·с), что примерно на порядок меньше, чем в однослойном, причем μ монотонно уменьшается с ростом числа слоев N от 1 до 3 [141].

Следует отметить, что золото, осажденное термическим способом на n - слойные графены по-разному взаимодействует с этими субстратами в зависимости от числа их слоев n, что указывает на различные свойства поверхности графенов по мере увеличения числа слоёв [142].

В работе [143] найдено, что кинетика окисления графена в сильной степени зависит от числа слоев в образце. Уже 3-х слойный образец по устойчивости к кислородной коррозии аналогичен макрообразцу натурального графита, в то время как однослойный графен реагирует намного быстрее. 1сГ энергично адсорбирует кислород и способен десорбировать его в токе аргона при действии УФ-излучения, в то время как уже трёхслойный графен ведёт себя, как графит [143].

Таким образом, каждый из последовательных объектов – 1сГ, 2сГ, мсГ – обладает определенным комплексом свойств, присущих именно этому веществу. Необходимо научиться их разделять, надежно идентифицировать и использовать уникальный набор свойств таких объектов.